Onderzoekers van Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy zeggen dat ze de eerste, lang gezocht bewijs dat een decennia oud wetenschappelijk model van materiaalgedrag kan worden gebruikt om supergeleiding bij hoge temperaturen te simuleren en te begrijpen - een belangrijke stap in de richting van het produceren en beheersen van dit raadselachtige fenomeen naar believen.

De simulaties die ze uitvoerden, gepubliceerd in Wetenschap vandaag, suggereren dat onderzoekers in staat zouden kunnen zijn om supergeleiding in en uit te schakelen in op koper gebaseerde materialen, cuprates genaamd, door hun chemie aan te passen, zodat elektronen van atoom naar atoom springen in een bepaald patroon - alsof ze diagonaal naar het atoom aan de overkant van de straat springen in plaats van naar het ene naast de deur.

"Het belangrijkste dat je wilt weten, is hoe je supergeleiders bij hogere temperaturen kunt laten werken en hoe je supergeleiding robuuster kunt maken, " zei co-auteur Thomas Devereaux, directeur van het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) bij SLAC. "Het gaat erom de knoppen te vinden waaraan je kunt draaien om de balans in jouw voordeel te laten doorslaan."

Het grootste obstakel om dat te doen, hij zei, het ontbreken van een model - een wiskundige weergave van hoe een systeem zich gedraagt ​​- dat dit type supergeleiding beschrijft, wiens ontdekking in 1986 de hoop opwekte dat elektriciteit ooit zonder verlies zou kunnen worden getransporteerd voor perfect efficiënte hoogspanningslijnen en maglev-treinen.

Terwijl wetenschappers dachten dat het Hubbard-model, tientallen jaren gebruikt om het elektronengedrag in tal van materialen weer te geven, zou van toepassing kunnen zijn op cuprate-supergeleiders op hoge temperatuur, tot nu toe hadden ze geen bewijs, zei Hong-Chen Jiang, een SIMES-stafwetenschapper en co-auteur van het rapport.

"Dit is een groot onopgelost probleem in het veld - beschrijft het Hubbard-model supergeleiding bij hoge temperaturen in de cuprates, of mist het een belangrijk ingrediënt?" zei hij. "Omdat er een aantal concurrerende staten in deze materialen zijn, we moeten vertrouwen op onbevooroordeelde simulaties om deze vragen te beantwoorden, maar de rekenproblemen zijn erg moeilijk, en dus is de vooruitgang traag geweest."

De vele gezichten van kwantummaterialen

Waarom zo moeilijk?

Hoewel veel materialen zich op zeer voorspelbare manieren gedragen, is koper altijd een metaal, en als je een magneet kapot maakt, zijn de bits nog steeds magnetisch - supergeleiders bij hoge temperaturen zijn kwantummaterialen, waar elektronen samenwerken om onverwachte eigenschappen te produceren. In dit geval, ze combineren om elektriciteit te geleiden zonder weerstand of verlies bij veel hogere temperaturen dan gevestigde theorieën over supergeleiding kunnen verklaren.

In tegenstelling tot alledaagse materialen, kwantummaterialen kunnen een aantal fasen bevatten, of toestanden van materie, onmiddelijk, zei Devereaux. Bijvoorbeeld, een kwantummateriaal kan onder één reeks voorwaarden van metaal zijn, maar isolerend onder iets andere omstandigheden. Wetenschappers kunnen de balans tussen fasen veranderen door te sleutelen aan de chemie van het materiaal of de manier waarop de elektronen zich verplaatsen, bijvoorbeeld, en het doel is om dit op een bewuste manier te doen om nieuwe materialen met nuttige eigenschappen te creëren.

Een van de krachtigste algoritmen voor het modelleren van situaties zoals deze staat bekend als de renormalisatiegroep van de dichtheidsmatrix, of DMRG. Maar omdat deze naast elkaar bestaande fasen zo complex zijn, het gebruik van de DMRG om ze te simuleren vereist veel rekentijd en geheugen en duurt meestal behoorlijk lang, zei Jiang.

Om de rekentijd te verminderen en een dieper analyseniveau te bereiken dan voorheen praktisch zou zijn geweest, Jiang zocht naar manieren om de details van de simulatie te optimaliseren. "We moeten elke stap zorgvuldig stroomlijnen, " hij zei, "het zo efficiënt mogelijk maken en zelfs manieren vinden om twee verschillende dingen tegelijk te doen." Dankzij deze efficiëntie kon het team DMRG-simulaties van het Hubbard-model aanzienlijk sneller uitvoeren dan voorheen, met ongeveer een jaar rekentijd op het Sherlock-computercluster van Stanford en andere faciliteiten op de SLAC-campus.

Hoppende elektronenburen

Deze studie richtte zich op het delicate samenspel tussen twee fasen waarvan bekend is dat ze in cupraten voorkomen:supergeleiding bij hoge temperatuur en ladingsstrepen, die zijn als een golfpatroon van hogere en lagere elektronendichtheid in het materiaal. De relatie tussen deze staten is niet duidelijk, met sommige onderzoeken die suggereren dat ladingsstrepen supergeleiding bevorderen en andere die suggereren dat ze ermee concurreren.

Voor hun analyse Jiang en Devereaux creëerden een virtuele versie van een cuprate op een vierkant rooster, als een draadomheining met vierkante gaten. De koper- en zuurstofatomen zijn beperkt tot vlakken in het echte materiaal, maar in de virtuele versie worden ze single, virtuele atomen die op elk van de kruispunten zitten waar draden samenkomen. Elk van deze virtuele atomen kan maximaal twee elektronen herbergen die vrij kunnen springen of springen - ofwel naar hun directe buren op het vierkante rooster of diagonaal over elk vierkant.

Toen de onderzoekers DMRG gebruikten om het Hubbard-model te simuleren zoals toegepast op dit systeem, ze ontdekten dat veranderingen in de springpatronen van de elektronen een merkbaar effect hadden op de relatie tussen ladingsstrepen en supergeleiding.

Toen elektronen alleen naar hun directe buren op het vierkante rooster sprongen, het patroon van ladingsstrepen werd sterker en de supergeleidende toestand verscheen nooit. Toen elektronen diagonaal konden springen, ladingsstrepen verzwakten uiteindelijk, maar ging niet weg, en uiteindelijk ontstond de supergeleidende toestand.

"Tot nu toe konden we niet ver genoeg gaan in onze modellering om te zien of ladingsstrepen en supergeleiding naast elkaar kunnen bestaan ​​wanneer dit materiaal zich in de laagste energietoestand bevindt. Nu weten we dat ze dat wel doen, althans voor systemen van deze omvang, ' zei Devereaux.

Het is nog steeds een open vraag of het Hubbard-model al het ongelooflijk complexe gedrag van echte cuprates beschrijft, hij voegde toe. Zelfs een kleine toename van de complexiteit van het systeem zou een enorme sprong in de kracht van het algoritme dat wordt gebruikt om het te modelleren, vereisen. "De tijd die nodig is om je simulatie te doen, stijgt exponentieel snel met de breedte van het systeem dat je wilt bestuderen, "Zei Devereaux. "Het is exponentieel ingewikkelder en veeleisender."

Maar met deze resultaten hij zei, "We hebben nu een volledig interactief model dat supergeleiding bij hoge temperaturen beschrijft, tenminste voor systemen met de afmetingen die we kunnen bestuderen, en dat is een grote stap voorwaarts."